金川水電站路基邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

趙中強(qiáng) 王有林 王文革

摘要：為研究金川水電工程進(jìn)場(chǎng)公路路基邊坡出現(xiàn)拉裂變形，且對(duì)邊坡下部公路通行車(chē)輛和行人安全造成隱患的問(wèn)題，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察，分別采用極射赤平投影法和極限平衡法，對(duì)該巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了定性和定量分析，并相互驗(yàn)證。結(jié)果表明：該巖質(zhì)邊坡整體穩(wěn)定較差，發(fā)育傾向岸外兩組結(jié)構(gòu)面與巖層面組合易形成不穩(wěn)定楔形體，在天然工況下邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在極端不利工況處于不穩(wěn)定狀態(tài)，易發(fā)生整體失穩(wěn)。研究成果可為其他公路邊坡拉裂變形穩(wěn)定性分析提供借鑒。

關(guān)鍵詞：路基邊坡穩(wěn)定性; 巖質(zhì)邊坡; 赤平投影; 極限平衡分析法; 金川水電站

中圖法分類(lèi)號(hào)：U416.14文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.05.010

文章編號(hào)：1006 - 0081（2022）05 - 0058 - 05

0 引 言

近年來(lái)，隨著中國(guó)水電工程的開(kāi)發(fā)利用，相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅速，尤其是山區(qū)水電項(xiàng)目日益突出。水電開(kāi)發(fā)一般位于高山峽谷地帶，地質(zhì)條件復(fù)雜，地形起伏變化大，工程建設(shè)中往往會(huì)遇到人工邊坡和高邊坡拉裂變形問(wèn)題。巖質(zhì)邊坡一旦變形失穩(wěn)，危害性極大，對(duì)邊坡實(shí)施有效防護(hù)和治理是避免地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的有力保證。邊坡穩(wěn)定受地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及風(fēng)化卸荷等因素影響，伴隨著人類(lèi)活動(dòng)及外動(dòng)力因素[1]（地震、強(qiáng)降雨及施工擾動(dòng)等），巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)[2]與破壞主要受巖體內(nèi)發(fā)育結(jié)構(gòu)面控制，結(jié)構(gòu)面的空間分布及不利組合直接影響邊坡穩(wěn)定。本文以金川水電站進(jìn)場(chǎng)道路（G248）路基邊坡為例，利用赤平投影法[3]分析各結(jié)構(gòu)面的空間組合形式，定性分析邊坡可能出現(xiàn)的破壞形式[4]，再利用極限平衡分析法，定量分析邊坡穩(wěn)定性，并相互驗(yàn)證分析[5]，對(duì)該邊坡提出了切實(shí)可行的工程處理建議[6]。

1 工程概況

金川水電站建成蓄水后，會(huì)將原省級(jí)公路（S211）淹沒(méi)，為保障地方交通和工程建設(shè)，需對(duì)該路段進(jìn)行復(fù)建（G248）。在電站復(fù)建公路里程K14+123～K14+191段路基邊坡外側(cè)出現(xiàn)拉裂縫（圖1），底部為原省道S211及過(guò)河鋼架橋。裂縫走向基本與邊坡走向平行，裂縫長(zhǎng)約25 m，高出原省道路面超50 m，距省道內(nèi)側(cè)路邊線僅2～3 m，距復(fù)建公路中心線平面距離6.6 m，垂直高差為7.5 m。邊坡整體為強(qiáng)卸荷發(fā)育區(qū)，發(fā)育多組拉張結(jié)構(gòu)面，局部已發(fā)生崩塌、掉塊及塌滑現(xiàn)象。因此，該路基邊坡拉裂對(duì)復(fù)建公路及省道S211行人和車(chē)輛和鋼架橋有較大影響。

2場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

復(fù)建公路G248樁號(hào)K14+123～K14+191段地處高山峽谷區(qū)，山勢(shì)挺拔，為典型中高山地形地貌區(qū)。地形坡度一般為30°～68°，相對(duì)高差300～800 m，河段的總體走向?yàn)镾E140°～160°，邊坡表部植被一般發(fā)育，整體多基巖裸露，由于風(fēng)化卸荷及結(jié)構(gòu)面發(fā)育，巖體較破碎。

2.2 地層巖性

邊坡出露的地層主要有三疊系侏倭組（T3zh）及第四系全新統(tǒng)地層。其中三迭系侏倭組（T3zh）為灰色薄-中厚層變質(zhì)砂巖夾板巖等，巖層產(chǎn)狀NW290°～298°SW∠33°～67°;第四系全新統(tǒng)地層主要為崩坡積（Q4col+dl）碎石土等。

2.3氣象條件

工程區(qū)屬明顯的大陸性高原季風(fēng)氣候，其顯著特點(diǎn)是全年日溫差大，年溫差小，立體差異突出，干濕分明，四季不明顯。區(qū)內(nèi)降水分布差異顯著，降水量由南向北隨海拔的增高而增多。區(qū)內(nèi)多年平均降水量為621.0 mm，最大年降水858.1 mm，最大日降雨量56.2 mm，最大一次暴雨量為52.1 mm。

3 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 邊坡現(xiàn)狀及工程地質(zhì)條件

復(fù)建公路G248工程K14+123～K14+191段位于電站壩址區(qū)上游約18 km處，岸坡山勢(shì)較為陡峻，岸坡傾向NE45°，坡度約為30°～68°，相對(duì)高差300 m以上。邊坡巖體主要是三疊系侏倭組（T3zh）為灰色薄-中厚層變質(zhì)砂巖夾板巖，巖層產(chǎn)狀為NW290°～298°SW∠33°～50°，邊坡整體為順向谷反向坡，相對(duì)邊坡穩(wěn)定性較好。

邊坡巖體未見(jiàn)斷層發(fā)育，主要發(fā)育有4組結(jié)構(gòu)面裂隙（圖2～3）。① 層面裂隙組： NW290°～298°SW∠33°～50°（傾向岸內(nèi)）;② L1組：NW303°～338°NE∠55°～72°（傾向岸外）;③ L2組：NE6°～42°SE∠71°～73°;④ L3組：NW280°～290°NE∠50°～64°（傾向岸外），邊坡整體屬?gòu)?qiáng)卸荷區(qū)，卸荷深度較大，大多為壓扭性或張扭性節(jié)理裂隙。

由于邊坡臨空卸荷及拉張結(jié)構(gòu)面發(fā)育，相互組合切割，邊坡前緣陡立臨空面發(fā)生崩塌掉塊現(xiàn)象，局部已發(fā)生小范圍牽引式塌滑，現(xiàn)該邊坡前緣處出現(xiàn)拉裂（圖4），拉裂寬度約為5～12 cm，延伸超20 m，該裂縫高出S211省道約50 m。

該邊坡屬縱向谷反向坡，對(duì)邊坡整體穩(wěn)定有利，但表部強(qiáng)卸荷及傾向岸外結(jié)構(gòu)面發(fā)育，對(duì)臨空陡立邊坡不利，易形成崩塌及沿傾向岸外結(jié)構(gòu)面發(fā)生牽引式崩滑。

該邊坡前緣出現(xiàn)拉裂縫，主要受原S211省道路塹邊坡開(kāi)挖影響，邊坡陡立，邊坡卸荷回彈發(fā)育多組結(jié)構(gòu)面，巖體沿卸荷結(jié)構(gòu)面發(fā)生變形拉裂，形成拉裂縫，且結(jié)構(gòu)面相互組合切割，形成不穩(wěn)定楔形體，發(fā)生崩塌掉塊現(xiàn)象，局部已發(fā)生蠕滑變形，其邊坡變形范圍為472 m2（圖5），變形方量約為800 m3。

3.2 邊坡破壞模式分析

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，邊坡巖體在重力作用下形成張拉裂縫，拉裂面沿著原有結(jié)構(gòu)面壓碎擴(kuò)容，形成貫通性破裂面，沿裂隙貫通面滑移破壞（滑坡）。

滑移破壞是邊坡巖體在重力作用下，所受上覆巖體剪應(yīng)力超過(guò)層間結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度，沿貫穿結(jié)構(gòu)面發(fā)生傾向坡外滑動(dòng)?；瑒?dòng)是邊坡破壞的普遍形式，以剪切破壞為主。邊坡巖體沿單一地質(zhì)斷裂面或傾向岸外裂隙面（L1組、L3組）等發(fā)生剪切位移，而滑體的兩端多呈拉斷破壞。

根據(jù)邊坡的破壞形式，采用赤平投影法對(duì)邊坡結(jié)構(gòu)特征穩(wěn)定性進(jìn)行定性分析，再采用極限平衡分析法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行定量分析評(píng)價(jià)，相互驗(yàn)證，評(píng)價(jià)邊坡整體穩(wěn)定性，最后根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果提出相應(yīng)的措施建議。

3.3 赤平投影法邊坡穩(wěn)定性分析

通過(guò)邊坡巖層產(chǎn)狀和發(fā)育的4組結(jié)構(gòu)面，用赤平極射投影分析邊坡穩(wěn)定性（圖6）。

邊坡發(fā)育多組結(jié)構(gòu)面，其中有3組組合形成的塊體不穩(wěn)定，易發(fā)生滑動(dòng)（圖5）：① L1組與L2組裂隙組成塊體與邊坡傾向相同，傾向岸外，傾角小于邊坡坡角，組合塊體不穩(wěn)定，易滑動(dòng);② L1組與L3組裂隙組成塊體與邊坡傾向相同，傾向岸外，傾角小于邊坡坡角，塊體不穩(wěn)定，易滑動(dòng);③ L2組與L3組裂隙組成塊體與邊坡傾向相同，傾向岸外，傾角小于邊坡坡角，邊坡塊體不穩(wěn)定，易滑動(dòng)。

綜合分析判定，K14+123～K14+191段路基下方的邊坡整體較穩(wěn)定，但其中L1和L2組、L1組和L3組、L2組和L3組結(jié)構(gòu)面與巖層面組合切割楔形體形成危巖體，在不利條件下，易沿傾向岸外結(jié)構(gòu)面向下滑動(dòng)，進(jìn)而發(fā)生崩塌及滑移破壞。

3.4 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)G248公路K14+123～K14+191段邊坡開(kāi)裂變形剖面（圖7），建立極限平衡分析計(jì)算模型。其中邊坡為巖質(zhì)邊坡，L1組和L3組結(jié)構(gòu)面基本平行于坡面，易形成貫穿結(jié)構(gòu)面，使巖體沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑動(dòng)，且拉裂縫方向基本與傾向坡外結(jié)構(gòu)面一致，因此，本次計(jì)算滑動(dòng)面以拉裂縫為后緣，以?xún)A向岸外結(jié)構(gòu)面延伸至邊坡坡腳巖體破碎處為剪出口作為整體滑動(dòng)面。

根據(jù)邊坡的邊界特征模型，以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的地質(zhì)原型為基礎(chǔ)，考慮到拉裂縫和軟弱結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，根據(jù)巖體風(fēng)化程度及結(jié)構(gòu)面發(fā)育定義拉裂縫結(jié)構(gòu)面、軟弱結(jié)構(gòu)面、第四系崩坡積碎石土、拉裂變形體、弱風(fēng)化變質(zhì)砂巖上限和弱風(fēng)化變質(zhì)砂巖上限巖體及拉裂滑移面等，計(jì)算模型見(jiàn)圖8，材料計(jì)算參數(shù)取值如表1所示。

在本次邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中，考慮了天然、降雨和地震3種工況。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)監(jiān)測(cè)資料，區(qū)內(nèi)日最大降水量為56.2 mm。邊坡區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度，50 a超越概率水平10%的水平加速度峰值為0.1g，故計(jì)算考慮地震影響時(shí)，根據(jù)GBT 38509-2020《滑坡防治設(shè)計(jì)規(guī)范》，取綜合水平地震系數(shù)為場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度的1/4，即[αw]=0.025g。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果（表2）和GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在天然狀態(tài)下，拉裂變形區(qū)邊坡Fs=1.042，邊坡整體處于欠穩(wěn)定狀態(tài);在暴雨工況下和地震-暴雨耦合工況下，F(xiàn)s分別為0.991和0.963，均處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

3.5 邊坡發(fā)展趨勢(shì)分析與預(yù)測(cè)

綜合分析，目前拉裂變形邊坡在天然工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，可能發(fā)生崩塌滑移破壞;在暴雨及地震工況下，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，易發(fā)生整體塌滑，且邊坡在復(fù)建公路修建過(guò)程中，受大型機(jī)械加載及施工擾動(dòng)，不利于邊坡穩(wěn)定。因此，需對(duì)邊坡進(jìn)行必要的工程處理。

4 邊坡治理工程措施建議

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形，G248公路K14+123～K14+191段位于拉裂變形區(qū)邊坡上部，路堤擋墻位于拉裂變形區(qū)內(nèi)側(cè)，路基基礎(chǔ)為弱風(fēng)化變質(zhì)砂巖，對(duì)G248公路路基影響相對(duì)較小，但G248公路建設(shè)施工對(duì)下部拉裂變形區(qū)邊坡有影響，施工擾動(dòng)和機(jī)器加載可能導(dǎo)致邊坡發(fā)生崩塌或整體失穩(wěn)，威脅邊坡下部鋼架橋及S211省道過(guò)往行人和車(chē)輛。因此，需對(duì)下部拉裂變形區(qū)進(jìn)行工程處理。

（1） 對(duì)該工程而言，拉裂變形區(qū)范圍相對(duì)較小，建議清除拉裂變形區(qū)以下松動(dòng)和不穩(wěn)定巖體，對(duì)局部相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域進(jìn)行噴錨加固，并對(duì)邊坡巖石破碎區(qū)進(jìn)行噴混凝土防護(hù)處理。

（2） 建議邊坡上方設(shè)置截水溝和排水溝等截排水措施，防止地表水或降雨入滲軟化巖體，影響邊坡穩(wěn)定性。

5結(jié)論與建議

（1） 金川水電站復(fù)建公路G248樁號(hào)K14+123～K14+191段邊坡整體為順向谷反向邊坡，岸坡整體較為穩(wěn)定。

（2） 樁號(hào)K14+123～K14+191段邊坡前緣出現(xiàn)拉裂縫現(xiàn)象。邊坡巖體受原S211省道路塹邊坡開(kāi)挖影響，邊坡卸荷回彈，發(fā)育多組卸荷結(jié)構(gòu)面且邊坡陡立;在自重應(yīng)力作用下，巖體沿卸荷結(jié)構(gòu)面發(fā)生變形拉裂，形成拉裂縫，且多組結(jié)構(gòu)面組合切割，形成不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體，發(fā)生崩塌掉塊現(xiàn)象。邊坡局部已發(fā)生滑動(dòng)破壞，其邊坡變形范圍為472 m2，變形方量約為800 m3。對(duì)邊坡下部鋼架橋及道路行人和車(chē)輛影響較大。

（3） 通過(guò)赤平投影法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，K14+123～K14+191段路基下方的邊坡整體較穩(wěn)定，因L1組和L3組結(jié)構(gòu)面與邊坡斜交，斜交夾角小于40°，且L1和L2組、L1組和L3組、L2組和L3組結(jié)構(gòu)面與巖層面組合切割楔形體形成危巖體，在不利條件下，易沿傾向岸外結(jié)構(gòu)面向下滑動(dòng)，發(fā)生崩塌及滑移破壞。

（4） 通過(guò)極限平衡法分析，拉裂變形區(qū)邊坡在天然工況處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨和地震工況（施工擾動(dòng)）下，邊坡均處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需對(duì)拉裂變形區(qū)進(jìn)行工程處理。

（5） 拉裂變形區(qū)方量相對(duì)較小，建議清除拉裂變形區(qū)以下松動(dòng)和不穩(wěn)定巖體，對(duì)局部相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域進(jìn)行噴錨加固，并對(duì)邊坡巖石破碎區(qū)進(jìn)行噴混凝土防護(hù)處理。

（6） 建議在邊坡上方設(shè)置截水溝和排水溝等截排水措施，以防坡面水流滲入影響邊坡穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉一強(qiáng)，朱杭琦.黃山某巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)[J].城市地質(zhì)，2021，16（1）：49-55.

[2] 徐國(guó)良，張振飛，裴倫培，等.用有限元強(qiáng)度折減法評(píng)價(jià)節(jié)理巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性[J].山東國(guó)土資源，2021，37（5）：59-66.

[3] 江巍，閆金洲，王南南，等.巖質(zhì)邊坡空間五面體類(lèi)楔形體破壞的穩(wěn)定性分析[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，42（6）：33-39.

[4] 謝鵬，陳昊，張凌晨，等.黃水河巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，35（5）：88-91.

[5] 張瑞.鄖十高速K48+340～500深路塹巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及防治建議[J].冶金管理，2020（11）：149-150.

[6] 劉繼偉. 山區(qū)營(yíng)運(yùn)高速公路巖質(zhì)路塹邊坡穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究[D].長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2020.

（編輯：唐湘茜）

Stability analysis and evaluation of subgrade slope of?Jinchuan Hydropower Station

ZHAO Zhongqiang，WANG Youlin，WANG Wenge

（Northwest Engineering Corporation Limited， Xi'an 710065， China）

Abstract： In order to study the tensile cracking deformation of highway subgrade slope of Jinchuan hydropower project， which threat the safety of road traffic and pedestrian safety， based on the field investigation， stereographic projection method and limit equilibrium method are respectively adopted to make the qualitative and quantitative analysis of rock slope stability for mutual corroboration. The results show that the overall stability of the rock slope is poor， and the combination of two groups of structural planes inclining toward to river bank and rock planes tends to form an unstable wedge body. The slope is in an less stable state under natural conditions， and in an unstable state under extreme unfavorable conditions， and the overall stability loss is easy to occur. The research results can provide reference for other highway slope tensile deformation stability analysis.

Key words： subgrade slope stability; rock slope; stereographic projection; Limit Equilibrium Analysis Method; Jinchuan Hydropower Station

收稿日期：2021-07-09

作者簡(jiǎn)介：趙中強(qiáng)，男，工程師，碩士，主要從事水利水電工程、巖土工程勘察及地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)工作。E-mail：610264726@qq.com